直接蒸汽發(fā)電槽式太陽能集熱器蒸汽溫度自抗擾控制

王萬召，鐵 瑋，譚 文

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直接蒸汽發(fā)電槽式太陽能集熱器蒸汽溫度自抗擾控制

王萬召1，鐵 瑋2，譚 文3

（1.河南城建學院，河南 平頂山 467036；2.河南質(zhì)量工程職業(yè)學院，河南 平頂山 467099；3.華北電力大學控制與計算機工程學院，北京 102206）

直接蒸汽發(fā)電（DSG）槽式太陽能集熱器蒸汽溫度具有大滯后、非線性、動態(tài)特性隨工況變化明顯及無法精確建模等特點，常規(guī)的PID控制方案難以取得滿意的控制效果。本文基于自抗擾控制思想，通過引入虛擬控制量，對DSG槽式太陽能集熱器蒸汽溫度去除純滯后環(huán)節(jié)的剩余對象設計自抗擾控制器，獲得與其相應的虛擬控制量。然后利用跟蹤微分器由虛擬控制量推測得到實際控制量，從而控制減溫水流量調(diào)節(jié)蒸汽溫度。實驗仿真結果表明，本文提出的自抗擾控制方案能夠在不同蒸汽壓力工況下，克服DSG槽式太陽能集熱器蒸汽溫度對象動態(tài)特性變化和大滯后，對蒸汽溫度指令信號階躍實現(xiàn)快速準確跟蹤，全程無超調(diào)，調(diào)節(jié)品質(zhì)明顯優(yōu)于傳統(tǒng)PID控制方案。

自抗擾控制；DSG槽式太陽能集熱器；蒸汽溫度；大滯后；擴張狀態(tài)觀測器；調(diào)節(jié)品質(zhì)

近年來，隨著太陽能發(fā)電技術的快速發(fā)展，直接蒸汽發(fā)電（DSG）槽式太陽能熱力發(fā)電系統(tǒng)憑借結構簡單、運行成本低和發(fā)電效率高等優(yōu)點得到了迅速發(fā)展[1-2]。DSG槽式太陽能集熱器直接將水作為循環(huán)工質(zhì)，在集熱管中吸收太陽輻射能，將水轉變?yōu)檎羝苿悠啓C發(fā)電。由于太陽輻射能是一種低品質(zhì)能源，要利用這種低品位能源，DSG槽式太陽能集熱系統(tǒng)的集熱通道必須很長，這使DSG槽式太陽能集熱器出口蒸汽溫度具有大滯后和大慣性的特點[3-4]。在實際運行中，又由于太陽輻射的周期性和間歇性，使DSG槽式太陽能集熱器出口蒸汽溫度成為一個典型的大滯后、大慣性、參數(shù)時變的非線性對象，常規(guī)的PID控制方法難以取得理想的控制效果[5-8]。

為此，研究者提出了一些有效的解決方案，文獻[9-10]基于預測控制和多模型控制原理，提出了DSG槽式太陽能集熱器出口蒸汽溫度多模型切換受限增量廣義預測控制方案；文獻[11]基于反饋線性化控制算法，提出了DSG槽式太陽能集熱器出口蒸汽溫度反饋線性化串級控制方案?？傊珼SG槽式太陽能出口蒸汽溫度控制受到廣大科研工作者越來越多的關注，此方面研究致力于尋求適合高效的控制方法，促進槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定運行和效率提升[12]。

本文基于自抗擾控制（ADRC）思想提出一種新型的控制方案，并將其應用于DSG槽式太陽能集熱器出口蒸汽溫度控制系統(tǒng)，解決常規(guī)PID控制器難于應對的大慣性、大滯后、參數(shù)時變、非線性等控制難題。

自抗擾控制是由我國著名系統(tǒng)與控制專家韓京清在20世紀80年代末首次提出，其最突出的特點是把作用于被控對象的所有不確定因素歸結為“未知擾動”，通過設計一種擴展狀態(tài)觀測器（ESO），根據(jù)被控對象的輸入輸出數(shù)據(jù)對“未知擾動”進行估計，依據(jù)估計結果進行補償，從而實現(xiàn)對難以準確建模的非線性對象的有效控制[13]。然而，經(jīng)典自抗擾控制技術一般只適用于簡單三階以下慣性對象，而對諸如本文DSG槽式太陽能集熱器蒸汽溫度一類具有大滯后特征的被控對象還不能使用[14-16]。

本文擬通過引入虛擬控制量，解決具有大滯后的非線性時變對象的控制難題，并將其應用于DSG槽式太陽能集熱器蒸汽溫度控制，最后通過仿真實驗檢驗提出的控制方案的可行性和有效性。

1 蒸汽溫度對象動態(tài)特性

DSG槽式太陽能集熱器出口蒸汽溫度的控制是通過調(diào)節(jié)安裝在最后一級集熱器入口處的噴水減溫器的減溫水流量進行的。由于太陽能集熱器管路很長，加之太陽輻射情況經(jīng)常變化，這使出口蒸汽溫度具有很大的滯后和慣性；并且在不同工況下蒸汽溫度對象動態(tài)特性變化也較大：可見，蒸汽溫度是一個典型的大滯后、大慣性、時變非線性對象，自動控制難度很大。

DSG槽式太陽能集熱器在不同出口蒸汽壓力下的蒸汽溫度模型變化很大[8]，具體情況如下。

1） 出口蒸汽壓力為3 MPa時蒸汽溫度模型

2） 出口蒸汽壓力為6 MPa時蒸汽溫度模型

3） 出口蒸汽壓力為10 MPa時蒸汽溫度模型

4） 由式(1)—式(3)模型參數(shù)變化可知，DSG槽式太陽能集熱器出口蒸汽溫度在不同出口壓力下，呈現(xiàn)明顯參數(shù)時變性，而且均具有很大的滯后。

2 蒸汽溫度自抗擾控制

本文提出的DSG槽式太陽能集熱器蒸汽溫度自抗擾控制系統(tǒng)結構如圖1所示。圖1中，TD（tracking differentiator）為跟蹤微分器，NLSEF（non-linear state error feedback）為非線性狀態(tài)反饋控制器，ESO（extended state observer）為擴張狀態(tài)觀測器，1為DSG槽式太陽能集熱器蒸汽溫度對象，01為1去除純滯后的剩余對象。

圖1 DSG槽式太陽能集熱器蒸汽溫度自抗擾控制結構

2.1 虛擬控制量

對DSG槽式太陽能集熱器蒸汽溫度對象而言，由于集熱器管道很長，噴水減溫器安裝在最后一級集熱器入口處，導致出口蒸汽溫度與減溫水流量之間存在很大的滯后，因而與實際控制量之間存在很大的滯后[8]。DSG槽式太陽能集熱器蒸汽溫度對象可表示為1個慣性環(huán)節(jié)串聯(lián)1個純滯后環(huán)節(jié)：

引入1個虛擬控制量

則

于是，可先對01()設計自抗擾控制器，然后再根據(jù)式(7)向前推測得到實際控制量，用于控制減溫水流量。

由于

則

式中：st( )為最速控制綜合函數(shù)，具體形式可參見文獻[13]；為采樣周期；為采樣序列；為決定跟蹤快慢的參數(shù)。

于是，可得

進而，由式(9)可得

式中作為一個可調(diào)參數(shù)，需要在系統(tǒng)整定時，通過調(diào)試獲得。

2.2 無純滯后對象的自抗擾控制器

式中為決定跟蹤快慢的參數(shù)。

則

依據(jù)對象01()的動態(tài)特性和控制目標要求，取=1 s，=0.002，可得在給定單位階躍變化時，跟蹤微分器的過渡過程如圖2所示。

對象01()采用狀態(tài)方程可表示為：

式中：(1,2,)為由對象01()的狀態(tài)變量1和2構成的非線性時變函數(shù)，其精確模型未知；為外部擾動；為對象輸入；為輸入增益；為對象01()輸出。

將式(15)中的未知動態(tài)特性(1,2,)和外部擾動合并，表示為

式(17)為對象01()的擴張狀態(tài)。通過設計非線性擴張狀態(tài)觀測器（ESO）可估計出狀態(tài)3，即實現(xiàn)了對象未知動態(tài)特性和外部擾動的估計。因此，可構建非線性擴張狀態(tài)觀測器

式中：1、2、3均為擴張狀態(tài)觀測器（ESO）的系數(shù)；al( )為飽和函數(shù)，可抑制信號的抖振，具體形式為

式中，和為飽和函數(shù)的內(nèi)部參數(shù)，在系統(tǒng)整定時確定其值。

采用非線性擴張狀態(tài)觀測器式(18)可實現(xiàn)

為了驗證非線性擴張狀態(tài)觀測器的性能，針對出口蒸氣壓力為3 MPa時蒸汽溫度去除純滯后環(huán)節(jié)的對象01()，施加單位階躍信號，ESO的主要參數(shù)分別取1=1.0、2=0.5、3=0.05，可得ESO的 3個狀態(tài)1、2、3，01()的2個狀態(tài)1、2以及擴張狀態(tài)3。擴張狀態(tài)觀測器跟蹤狀態(tài)曲線如圖3所示。由圖3可知ESO對01()的狀態(tài)以及擴張狀態(tài)實現(xiàn)了良好的觀測與跟蹤。

圖3 擴張狀態(tài)觀測器跟蹤狀態(tài)曲線

Fig.3 The tracking state curves of the extended state observer

對采用式(15)描述的對象01()，采用式(21)補償律進行控制

由于ESO已經(jīng)把對象的未知動態(tài)和外部擾動統(tǒng)一估計為3，式(15)可變換為：

這樣通過ESO把含有未知擾動的非線性不確定對象轉化為積分串聯(lián)型對象，基于狀態(tài)反饋控制思想，可得非線性狀態(tài)反饋控制律

式中：1為設定值的過渡信號1與ESO的輸出1之差；2為設定值微分的過渡信號2與ESO的輸出2之差；通過整定選擇合適的1和2，可以保證控制器取得良好的動態(tài)性能和抗干擾性能。

3 實驗仿真及分析

為驗證本文提出的DSG槽式太陽能集熱器出口蒸汽溫度自抗擾控制方案的優(yōu)越性和可靠性，選取蒸汽出口壓力分別為3、6、10 MPa共3種工況進行仿真，并與傳統(tǒng)的PID控制方案進行比較。

3.1 出口蒸汽壓力為3 MPa工況

DSG槽式太陽能集熱器出口蒸汽壓力為3 MPa時，蒸汽溫度模型為式(1)。參考文獻[8]中采用抗積分飽和PID控制器進行DSG槽式太陽能集熱器蒸汽溫度控制，其推薦參數(shù)為比例系數(shù)P0.003 9，積分時間I=520 s。本文提出的自抗擾控制方案的主要參數(shù)為1=1.4、1=650、=0.3。分別將自抗擾控制方案和傳統(tǒng)抗積分飽和PID控制方案進行仿真對比，結果如圖4所示。由圖4可見：抗積分飽和PID控制方案在蒸汽溫度指令信號階躍變化時，蒸汽溫度輸出曲線波動大，調(diào)節(jié)時間長；而本文提出的自抗擾控制方案可以對蒸汽溫度階躍指令信號實現(xiàn)快速精確跟蹤，無超調(diào)，調(diào)節(jié)時間短，控制品質(zhì)優(yōu)良。

圖4 出口蒸汽壓力為3 MPa時蒸汽溫度仿真曲線

3.2 出口蒸汽壓力為6 MPa工況

DSG槽式太陽能集熱器出口蒸汽壓力為6 MPa時，蒸汽溫度模型為式(2)，參考文獻[8]中采用抗積分飽和PID控制器進行DSG槽式太陽能集熱器蒸汽溫度控制，其推薦參數(shù)為P0.007 8、I700 s。本文提出的自抗擾控制，由于通過ESO對蒸汽溫度對象的未知動態(tài)特性和外部擾動實現(xiàn)了估計，并依此進行了補償，控制方案具有很好的魯棒性和自適應性。因此，自抗擾控制方案的主要參數(shù)值保持不變，依然取3 MPa工況時的整定值。

分別將自抗擾控制方案和傳統(tǒng)抗積分飽和PID控制方案進行仿真對比，結果如圖5所示。由圖5可以看出：傳統(tǒng)抗積分飽和PID控制方案在蒸汽溫度指令信號階躍變化時蒸汽溫度輸出曲線超調(diào)較大，調(diào)節(jié)時間長；而本文提出的自抗擾控制方案可以對蒸汽溫度階躍指令信號跟蹤快速精確，無超調(diào)，調(diào)節(jié)時間短，控制品質(zhì)優(yōu)良。

圖5 出口蒸汽壓力為6 MPa時蒸汽溫度仿真曲線

3.3 出口蒸汽壓力為10 MPa工況

DSG槽式太陽能集熱器出口蒸汽壓力10 MPa時，蒸汽溫度模型為式(3)，文獻[8]中采用抗積分飽和PID控制器進行DSG槽式太陽能集熱器蒸汽溫度控制，其推薦參數(shù)為P0.010 8、I700 s。本文提出的自抗擾控制的主要參數(shù)值保持不變，依然取3、6 MPa工況時的整定值。分別將自抗擾控制方案和傳統(tǒng)抗積分飽和PID控制方案進行仿真對比，結果如圖6所示。由圖6可以看出：傳統(tǒng)抗積分飽和PID控制方案盡管無超調(diào)，但調(diào)節(jié)時間很長；而本文提出的自抗擾控制方案可以在蒸汽溫度指令信號階躍變化時實現(xiàn)快速精確跟蹤，無超調(diào)，調(diào)節(jié)時間短，控制品質(zhì)優(yōu)良，且模型具有較好的魯棒性和自適應性。

圖6 出口蒸汽壓力為10 MPa時蒸汽溫度仿真曲線

4 結 語

本文基于自抗擾控制的基本思想，針對DSG槽式太陽能集熱器蒸汽溫度對象具有大滯后、動態(tài)特性隨工況變化大等特點，通過引入虛擬控制量對去除滯后環(huán)節(jié)的剩余部分實施自抗擾控制，然后利用跟蹤微分器推測出實際的控制量。該控制方案的優(yōu)點是不需要事先知道DSG槽式太陽能集熱器蒸汽溫度對象的準確模型，利用ESO觀測出對象的不確定性和外部擾動并進行補償，具有很好的適應性和抗干擾能力。

仿真結果表明，本文提出的自抗擾控制方法在不同工況下，在蒸汽溫度指令信號階躍變化時均能實現(xiàn)快速精確跟蹤，全程無超調(diào)，調(diào)節(jié)時間短，控制品質(zhì)優(yōu)良，與傳統(tǒng)的PID控制方案相比，具有明顯的優(yōu)越性，值得推廣應用。

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Active disturbance rejection control system for steam temperature of direct steam generation trough solar collector

WANG Wanzhao1, TIE Wei2, TAN Wen3

(1. Henan University of Urban Construction, Pingdingshan 467036, China; 2. Henan Quality Engineering Vocational College, Pingdingshan 467099, China; 3. School of Control and Computer Engineering, North China University of Electric Power, Beijing 102206, China)

Since the steam temperature control of direct steam generation (DSG) trough solar collector exhibits large time delay, non-linearity, uncertainty, and difficult accurate modeling, the conventional PID control scheme is difficult to achieve ideal control effect. To solve this problem, based on the idea of active disturbance rejection control (ADRC), the virtual control variable is introduced. Firstly, the ADRC scheme is designed for the remaining part of the DSG trough solar collector steam temperature object after removing the pure time delay link, and the corresponding virtual control variable is obtained. Subsequently, the actual control variable is predicted by using the virtual control variable with the tracking differentiator (TD). Finally, the spraying water flow is controlled to regulate the steam temperature. The simulation results show that, the proposed ADRC scheme can overcome the changes of dynamic property and large time delay under different pressure conditions, and track the steam temperature rapidly and accurately without overshoot during the whole process. The control quality of the proposed ADRC scheme is significantly better than that of the conventional PID control scheme.

active disturbance rejection control, DSG trough solar collector, steam temperature, large time delay, extended state observer, adjustment quality

National Natural Science Foundation of China (61573138 ); Henan Province Science and Technology Research Project (172102210180)

TP273; TK514

A

10.19666/j.rlfd.201806120

王萬召, 鐵瑋, 譚文. 直接蒸汽發(fā)電槽式太陽能集熱器蒸汽溫度自抗擾控制[J]. 熱力發(fā)電, 2019, 48(3): 41-46. WANG Wanzhao, TIE Wei, TAN Wen. Active disturbance rejection control system for steam temperature of direct steam generation trough solar collector[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(3): 41-46.

2018-06-22

國家自然科學基金項目(61573138)；河南省科技攻關項目(172102210180)

王萬召(1972—)，男，博士，副教授，主要研究方向為智能控制及熱工自動控制，30040706@hncj.edu.cn。

（責任編輯 杜亞勤）